铝合金材料论文材料成型论文

铝合金材料在锻造中的应用

1 引言

铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素之一。铝工业的整个发展历史不过两百年，但由于铝及铝合金具有一系列优异特性，发展速度非常快，已广泛应用于交通运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、机械电气等行业，成为发展国民经济与提高人民物质生活和文化生活水平的重要基础材料。铝及铝合金材料的主要加工方法有：铸造、锻造、冲压、挤压以及深加工。近年来，随着对节能、环保、安全要求的不断提升，锻造铝业呈现增长态势。以日本为例，2004年锻造铝悬挂部件产品数量达到了2000年的5倍，用铝减轻汽车重量的策略已经从汽车发动机部分扩展到车身部分［1］。

2 铝合金锻造的优越性

2.1 重量轻。铝的密度为2.7 kg/dm3,与铜（密度为8.9 kg/dm3）或铁（密度为7.8 kg/dm3）比较，约为它们的1/3。在相同条件下，铝合金车身与含铜耐磨钢车身相比，重量可减轻35%以上。由于重量减轻，在同样牵引力的条件下，铝合金车体可增加运量10%，节能9.6%—12.5%［2］。所以铝及铝合金材料是航空航天和现代交通运输轻量化、高速化的关键材料。

2.2 强度好。虽然纯铝的力学性能不如钢铁，但其比强度高，可以添加铜、镁、锰、铬等合金元素，制成铝合金并经热处理后而得到较高的强度。

2.3 加工容易。铝及铝合金不仅可以切削加工，还可以进行塑性加工。铝的延展性优良，易于挤出形状复杂的中空型材，适于拉伸加工及其他各种冷热塑性成形。目前许多铝合金都可以锻造，包括2000系列/7000系列高强度合金、6000系列/5000系列抗腐蚀合金和4000系列耐磨合金［2］。铝合金材料可

以在液压机和机械压力机上锻造，液压机速度慢，适合锻造形状复杂或者较薄的零件；机械压力机速度快，适合锻造大锻件。铝合金锻件内部质量高，力学性能好，具有高可靠性。

2.4 美观，适于各种表面处理。铝及铝合金表面有氧化膜，呈银白色，相当美观。如果经过氧化处理，其表面的氧化膜更牢固。而且还可以用染色和涂刷等方法，制造出各种颜色和光泽的表面。

此外，铝及铝合金还具有耐腐蚀性、良好的导热性和导电性、良好的耐药性等优点。

3 锻造用铝合金的应用

锻造铝的传统应用主要集中在跑车或低油耗的汽车上，制造的部件有活塞、轮圈、气门拨杆、悬挂件等重要结构受力件。由于材料成本高、制造工艺复杂而导致锻造铝件生产成本上升，从而阻碍了锻造铝件的应用。目前许多国家都在积极研发高强度材料，研究锻造工艺，以降低锻造铝件生产成本。

3.1 锻造铝在汽车轮圈上的应用

自美国铝业公司采用高强度、抗腐蚀的铝合金，用锻造工艺生产铝合金轮圈推向市场以来，其优良的性能受到市场的广泛关注。经过几年的发展，锻造铝合金轮圈不仅应用于小汽车、摩托车，而且已成功应用于货车、大客车等重型车。汽车锻造铝合金轮圈与传统的钢轮圈及铸造铝轮圈相比具有以下的性能优点：a.锻造（含锻旋）铝合金轮圈的机械性能比铸造铝合金轮圈高。与铸铝轮圈相比，其优点见下表：

b.用锻造、锻旋工艺生产的铝合金轮圈重量轻，与铸造铝轮圈相比，重量可减轻25%-30%。减轻了汽车的自重，行车时的控制性好。可以节省燃油、减少污染，提高车辆性能，用于货车可增加载货量。

c.锻造铝合金轮圈的散热性好，其温度比钢轮圈平均低25%，可降低热量对轮胎的损害，据国外报道，一辆重型车一年可节省轮胎费用5 000美元。由于锻造铝合金轮圈温度低，可延长刹车系统的寿命，提高刹车效率和安全性。

d.锻造铝合金轮圈圆度好，轮胎耐磨性强、不易漏气。

e.据国外资料报道，安装在钢轮圈的新轮胎每只约230-260美元，平均运驶5万公里以后不能翻新；安装在锻造铝合金轮圈上的新轮胎，每只翻新费用为100美元，行驶5万公里以后，可再翻新两次。

f.锻造铝合金轮圈晶粒组织细密，可得到最好的表面处理效果，能保持洁白外观，不易腐蚀。

3.2 锻造铝在悬臂零件中的应用

传统悬挂零件大多为铸铁件，用铝替代铸铁可减轻重量，在制造工艺上就由铝锻造、铸造锻造复合工艺代替了铸铁工艺。有两种6000系列的铝合金通常应用在锻造铝悬臂零件上，常用的铝合金材料为6061。采用6061铝合金锻造工艺生产的悬臂零件比铸铁件减轻大约35%-40%的重量，比铸铝件减轻25%的重量。锻造铝悬臂件的强度比铸造铝高，而且其延展性和韧性也比铸造铝好，锻造还可以使材料得到可靠的内部质量。铝合金锻造与铸造复合制造也是常用的可获得高性能产品的方法。这种工艺首先熔化金属，然后精炼和去除杂质，以一定速度保持内外温度统一冷却，材料铸造成棒材。在这种情况下，铸造的冷却速度比一般低高压铸造的冷却速度要快，铸造环境也要更稳定。生产的坯

料质量高，而后经过锻造成形，锻造生产的产品内部质量高，可以制造出高强度、高韧性和高可靠性的悬臂零件。目前，部分汽车下臂、上臂、横梁、转向节以及盘式制动器卡爪已采用铝合金锻件，这在轻量化和减少振动上取得了很大进展，今后有进一步发展的倾向［2］。

3.3 锻造铝在摩托车工业中的应用

锻造铝合金代替钢材生产摩托车零部件不仅不增加材料成本，而且还可以使摩托车的自重减轻、能耗下降、运输能力提高，使摩托车更具市场竞争力。近几年来，由于强度和重量减轻的要求，摩托车许多部件包括轮毂、活塞、主轴和连杆等受力部件和转动部件都是改用包括钛合金或铝合金在内的轻金属锻件。以摩托车活塞为例：制造活塞除了需要考虑其重量、强度特性外，还要考虑其滑动性能、热传导系数和线膨胀系数等特性，综合这些因素，在摩托车上采用锻铝活塞最合适了。传统的铸铝件已经应用很多年了，最近其锻铝件应用正在迅猛增加。实践证明，使用锻铝活塞发动机功率可以增强10%［3］。

3.4 铝合金的粉末锻造

铝合金的粉末锻造是粉末冶金与塑性加工的组合技术，是利用传统的粉末冶金法于室温完成预成形体之后，再将之加热以热锻消除预成形体的孔洞而做成坯料或最终制品。与粉末挤出法比较起来，并不需要大型的挤压设备，材料成品率高、成形后的切削也少，因此生产的总耗能得以下降，可以降低制造成本。汽油发动机用活塞目前所要求的性能用铝合金铸造法大致就可以满足了，但要满足发动机的高输出性能以及提高内燃机效率、减少废气排放、降低噪音等高标准要求，则以铸造为基础的技术显然难以达到。研究表明：用高强度铝合金粉末锻造的活塞可以将传统技术不能同时实现的轻量化和高性能化成为可能。